Galaktische Geheimnisse

Peter-Paul-Ewald Fellow Dr. Ulf Zastrau untersucht das Innere von Sternen und Planeten.

Ulf Zastrau an der DESY-Anlage FLASH in Hamburg, einer kleinen Version des zukünftigen European XFEL. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Ulf Zastrau an der DESY-Anlage FLASH in Hamburg, einer kleinen Version des zukünftigen European XFEL. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Wenn sich Ulf Zastrau auf die Reise von Thüringen nach Kalifornien macht, hat er nicht nur T-Shirts, Jeans und Kulturbeutel im Gepäck, sondern stets auch hochpräzise Messtechnik. Die optischen Spektrometer hat der promovierte Physiker an der Universität Jena entwickelt. Zum Einsatz kommen sie am weltweit ersten Röntgen-Freie-Elektronen Laser LCLS (Linac Coherent Light Source) des Forschungszentrums SLAC National Accelerator Laboratory der Stanford University.

"Mit dem Röntgenlaser können wir sogenannte warme dichte Materie erzeugen, wie sie auch im Innern von Sternen und Planeten vorkommt, und untersuchen, welche Eigenschaften sie hat", sagt Zastrau. Das sei wichtig, um mehr über den Erdmagnetismus zu erfahren, um herauszufinden, wie Kernfusion funktioniert oder wie sich das Lebenselixier Wasser unter extremen Temperaturen und Drücken verhält, zum Beispiel im Planeten Uranus. Der Physiker und seine Arbeit auf zwei Kontinenten wird von der VolkswagenStiftung für drei Jahre mit 300.000 Euro gefördert – durch ein Peter-Paul-Ewald Fellowship.

Der European XFEL soll 2015 fertiggestellt sein und wird etwa 10-mal so groß sein wie FLASH. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
Der European XFEL soll 2015 fertiggestellt sein und wird etwa 10-mal so groß sein wie FLASH. (Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Zastraus Pendeln zwischen Jena und Stanford hat vor allem einen Grund: Bisher gibt es weltweit nur zwei Röntgen-Freie-Elektronen Laser, jenen am SLAC und einen weiteren in Tokyo. Ein dritter und noch leistungsstärkerer Röntgenlaser, der European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser), wird zurzeit in einem 3,4 Kilometer langen Tunnel am Hamburger Forschungszentrum DESY in Deutschland gebaut. Er  soll 2015 in Betrieb gehen. Dann ist mit Zastrau nicht nur ein ausgewiesener Experte vor Ort,  sondern auch ein Multiplikator für das Knowhow. Der Physiker gehört zu den Koordinatoren eines internationalen Konsortiums aus fast 300 Wissenschaftlern, die Pläne für die Messstationen und Forschung am XFEL entwickeln.

Für Zastrau war die Förderung der VolkswagenStiftung wie maßgeschneidert. Mehrere Angebote für reguläre Postdoc-Stellen im Ausland hat er abgelehnt, denn "in Stanford sitzt sozusagen die Creme de la Creme an Experten, und ich kann mit schon bekannten Fachkollegen noch intensiver zusammen arbeiten." Die Erfahrungen dort können zudem in die Entwicklung verbesserter Messinstumente an der Universität Jena einfließen. Auch privat sieht der Physiker viel Positives. So musste er weder seiner Heimatuniversität noch der Stadt seines Herzens, Jena, für mehrere Jahre den Rücken kehren.

(Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
(Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

An seiner Messstation in Standford werkelt und misst Zastrau tagelang, oft bis Mitternacht und oft auch am Wochenende. "Für unsere Messungen schießen wir mit dem Laser auf eine dünne Folie, zum Beispiel aus Eisen, Aluminium oder Kohlenstoff", erklärt er. Dabei erhitzt sich die Folie auf bis zu eine Million Grad Celsius – ohne zu verdampfen.

Das funktioniert allerdings nur mit sehr kurzen Laserpulsen und nur für eine sehr kurze Zeit. "Wir haben weniger als eine milliardste Sekunde, bevor alles verdampft", sagt der Physiker. In diesem Minimoment detektieren seine in Jena ausgetüftelten Spektrometer die Strahlung, die von der Probe kommt. "Das kann Streustrahlung sein oder Röntgen-Fluoreszenz", erklärt er.

Die Daten ermöglichen Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Probe – oft mit überraschenden Ergebnissen. "Wir haben vor drei Jahren zum Beispiel bei Experimenten mit Aluminium festgestellt, dass ein Standardmodell der Plasmaphysik die Materie unter diesen extremen Bedingungen nicht mehr exakt beschreiben kann", erzählt Zastrau. Die Untersuchungen wurden unter anderem im Forschungsmagazin Nature veröffentlicht.

(Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)
(Foto: Christian Burkert für VolkswagenStiftung)

Als Physiker zur arbeiten, ist definitiv Zastraus Traumjob. Schon im Grundschulalter hat er im Keller viel gebastelt, an Röhrenradios geschraubt und an Computern.  Und noch immer liebt er das Handwerkliche an seiner Arbeit. "Wenn ich nicht auch mal ein Kabel löten oder Schrauben festziehen darf, bin ich nicht glücklich", sagt er.

Sein liebstes Hobby ist die Musik. In seiner Wohnung in Jena gehören ein Klavier, ein Cembalo und eine Orgel – selbst zusammengebaut, versteht sich – zum festen Inventar. "Musizieren ist ein guter Ausgleich, schon allein weil es viel direkter funktioniert als Wissenschaft, bei der man oft lange grübeln muss", findet er. Auch Kirchenmusik schätzt er sehr, wenngleich er an Gott nicht glauben mag. "Ich habe große Achtung vor gläubigen Menschen. Ich selber erkläre mir das Universum aber lieber als Zusammenspiel vieler komplexer Mechanismen", sagt der Physiker. Dennoch komme er oft in Staunen. "Jeder Puzzle-Baustein der Erkenntnis ist toll. Je mehr man davon versteht, desto mehr erahnt man, wie groß das ganze ‚Puzzle‘ wohl sein könnte."

Eine Geschichte aus der Förderung aus dem englischsprachigen Magazin Crossing Borders 2013 der VolkswagenStiftung, von Andrea Hoferichter. Das Magazin finden Sie zum Download unter Crossing Borders 2013.